Trong nghiên cứu này một hệ thống đo lực trên máy dập trục khuỷu được xây dựng; một cảm biến đo lực được đặt trong hệ thống khuôn gá trên máy dập trục khủy, cảm biến đo lực được chế tạo dựa trên nguyên lý áp trở, tem biến dạng được dùng làm phần tử nhạy cảm cho cảm biến. Cảm biến thực hiện chức năng tiếp nhận và biến đổi thông tin về sự biến thiên của lực trên đầu vào thành sự biến thiên điện áp trên đầu ra.
ISSN 2354-0575 NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐO LỰC TRÊN MÁY DẬP TRỤC KHUỶU CHO NGUYÊN CÔNG CHỒN Phan Thị Hà Linh1, 2, Nguyễn Đắc Trung2 Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên Viện Cơ khí, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Ngày tịa soạn nhận báo: 08/07/2019 Ngày phản biện đánh giá sửa chữa: 19/08/2019 Ngày báo duyệt đăng: 10/09/2019 Tóm tắt: Lực dập thơng số quan trọng, ảnh hưởng tới mức độ biến dạng để lựa chọn tải trọng máy sử dụng Trong nghiên cứu hệ thống đo lực máy dập trục khuỷu xây dựng Một cảm biến đo lực đặt hệ thống khuôn gá máy dập trục khủy, cảm biến đo lực chế tạo dựa nguyên lý áp trở, tem biến dạng dùng làm phần tử nhạy cảm cho cảm biến Cảm biến thực chức tiếp nhận biến đổi thông tin biến thiên lực đầu vào thành biến thiên điện áp đầu Tín hiệu điện áp đưa tới trung tâm xử lý tín hiệu hiển thị kết đo Các kết sử dụng để so sánh đánh giá với kết q trình mơ số Cũng nghiên cứu kết đo lực chồn với trường hợp khác đưa phân tích so sánh với kết tính tốn lý thuyết Từ khóa: Dập khối, Cảm biến tải trọng, Máy dập trục khuỷu, Nguyên lý áp trở, Khuôn dập, Lực dập Đặt vấn đề Máy dập trục khuỷu sử dụng nhiều hoạt động dập khối, điển hình ngun cơng chồn Khi thực q trình tạo hình máy dập trục khuỷu có ưu điểm độ xác cao có hành trình cố định, chất lượng bề mặt sản phẩm tốt, suất cao, phù hợp với nhiều loại sản phẩm (vật dập thiết bị có kích thước đa dạng từ vài trăm gam đến vài trăm kilogam) Tuy nhiên máy dập trục khuỷu có nhược điểm khơng khống chế lực kẹt điểm chết tải [1] Nguyên công chồn thực nhằm giảm chiều cao tăng diện tích tiết diện mặt cắt ngang phơi, chồn q trình nén Việc đo kiểm soát lực tìm giá trị phù hợp quan trọng q trình chồn Nó ảnh hưởng tới mức độ biến dạng để chọn công suất máy cho trình tạo hình [2] Lực chồn tính theo cơng thức 1.1[5] d (1.1) F = A.k.c d1 + 0, 17 h1 n Trong đó: A - diện tích tiết diện sau chồn, d1 – đường kính sau chồn, k - ứng suất chảy vật liệu nhiệt độ chồn, γ – hệ số tỷ lệ Xác định lực tạo hình máy dập trục khuỷu phương pháp đo lượng bánh đà thường 46 sử dụng Phương pháp tính tốn lực dựa thông số đặc trưng máy mơ men qn tính chi tiết chuyển động quy trục bánh đà JM Quá trình tính tốn gặp khó khăn xác định JM với máy dập khác cấu tạo, tải trọng máy khác phụ thuộc vào q trình tính tốn Hơn với phương pháp đo lực cuối trình dập [3] Ngồi máy dập trục khuỷu sử dụng loại cảm biến tải trọng để xác định lực dập, nhiên giá thành cảm biến cao Do vậy, báo phát triển hệ thống đo lực chồn máy dập trục khủy nhằm giảm chi phí có kết phù hợp Các kết đo trình bày Dựa kết đo hệ thống tìm giá trị tối ưu cho ngun ngn cơng chồn với thơng số hình học phơi khác Phát triển hệ thống đo 2.1 Sơ đồ nguyên lý Hệ thống đo phát triển dựa nguyên lý làm việc máy dập trục khuỷu kết cấu khuôn cho nguyên công chồn Sơ đồ nguyên lý hệ thống đo trình bày Hình Khoa học & Công nghệ - Số 23/Tháng - 2019 Journal of Science and Technology ISSN 2354-0575 Hình Sơ đồ hệ thống đo lực 2.2 Phát triển cảm biến Cảm biến xây dựng dựa nguyên lý áp trở, chất nguyên lý áp trở điện trở vật liệu bị thay đổi có biến dạng vật liệu tác động lực [4] Nguyên lý áp trở thường xây dựng sở ứng dụng hiệu ứng kép: lực - biến dạng biến dạng - điện trở Cảm biến có khâu (Hình 2) Hình Cấu trúc cảm biến đo lường theo nguyên lý áp trở Chuyển đổi sơ cấp lực - biến dạng xây dựng sở phần tử có tính đàn hồi cao (PTĐH); Chuyển đổi thứ cấp biến dạng - điện trở thường xây dựng sở ứng dụng tem biến dạng (TBD), thực tế thường sử dụng cầu đo tem biến dạng (mạch cầu Wheastone) Phần tử đàn hồi có vai trị quan trọng, kích thước hình học phần tử đàn hồi phụ thuộc vào giới hạn bền vật liệu Giá trị thường lấy từ 1/4 đến 1/5 giới hạn bền [5] Phần tử đàn hồi gồm ba phần tử học tương ứng với ba đặc tính khối lượng quán tính m, số lò xo k cản chấn γ [6] thể Hình Phần tử đàn hồi hình trụ đặc thường sử dụng cảm biến đo lực Với cấu trúc ta tính được: Giá trị biến dạng dọc: 4F fd = rEs2 Giá trị biến dạng ngang: 4Fn f n =rEs2 n số poisson vật liệu Độ nhạy cảm biến là: 4Fn U 4F n + S = U R = 0, 5g _f d - f n i = 0, 5g d N rEs2 rEs2 Mạch cầu đo cảm biến có một, hai bốn nhánh chứa tem biến dạng Trường hợp tương đối phổ biến loại cảm biến đo sử dụng tem biến dạng bốn nhánh cầu chứa tem Thực tế, mạch cầu cảm biến tem điện trở biến dạng cầu trở Wheatstone Hình Hình Mạch cầu trở Wheatstone Hình Mơ hình cấu trúc phần tử đàn hồi (trụ đặc) Khoa học & Công nghệ - Số 23/Tháng - 2019 Điện áp mạch cầu là: R R Ur = d R +1 R - R +4 R n Un Journal of Science and Technology 47 ISSN 2354-0575 Độ nhạy toàn mạch cầu là: DUr R2 DR1 - R1 DR2 R3 DR4 - R4 DR3 Un = (R1 + R2 ) - (R3 + R4 ) Cầu trạng thái cân điều kiện sau thoả mãn: R1 R4 R2 = R3 2.3 Cấu trúc hệ thống đo Hệ thống đo gồm thành phần: cảm biến, khn, thiết bị gia cơng tín hiệu hiển thị kết trình bày Hình Hệ thống đo xây dựng lắp đặt máy dập trục khuỷu FCP 160 gồm hệ thống khn, cảm biến, trung tâm xử lý tín hiệu hiển thị kết thể Hình Hình Hệ thống đo lực máy dập trục khuỷu PFC 160 Kết thực nghiệm Các thí nghiệm với kích thước phơi ống khác (H/D: tỷ số chiều cao/đườn kính S/D: tỷ số bề dày/đường kính) từ vật liệu C45 tiến hành máy dập trục khuỷu FCP 160 với tốc độ dập 40 hành trình/phút Thu kết đo phù hợp thể từ Hình đến Hình 15 Hình Cấu trúc hệ thống đo Đầu trượt mang chày tác động tới phôi, đồng thời tác động trực tiếp đến cảm biến Thông qua PTĐH, biến thiên lực chuyển đổi thành biến dạng PTĐH Bằng TBD liên kết chặt chẽ với PTĐH, biến dạng lại chuyển đổi thành biến thiên điện trở Và thông qua mạch đo có dạng cầu đo Wheastone, TBD tham gia thành phần nhánh cầu, cho phép thu nhận tín hiệu dạng điện áp Tín hiệu điện áp khuếch đại đủ độ lớn, qua lọc để đưa tới biến đổi tương tự - số ADC (thiết bị gia cơng tín hiệu hiển thị số CDV700 A) Nhờ ADC, tín hiệu mã hố thành dạng số đưa vào máy tính Từ đó, máy tính xử lý liệu theo thuật toán xác định (phần mềm DasyLab) hiển thị kết đo Hàm truyền hay thuật tốn đo hệ thống biểu diễn khái quát biểu thức: Xra (s) Yv (s) = K1 G1 (s) K2 G2 (s) Trong đó: K1, G1(s) - độ nhạy tĩnh đặc tính động cảm biến; K2, G2(s) - hệ số khuếch đại tĩnh đặc tính động phần tử 48 Hình Kết đo lực chồn với phơi ban đầu H/D:0,4 S/D:0,25 Hình Kết đo lực chồn với phôi ban đầu H/D:0,4 S/D:0,3 Khoa học & Công nghệ - Số 23/Tháng - 2019 Journal of Science and Technology ISSN 2354-0575 Hình Kết đo lực chồn với phôi ban đầu H/D:0,4 S/D:0,35 Hình 12 Kết đo lực chồn với phơi ban đầu H/D:0,6 S/D:0,35 Hình 10 Kết đo lực chồn với phôi ban đầu H/D:0,6 S/D:0,25 Hình 13 Kết đo lực chồn với phơi ban đầu H/D: 0,8 S/D:0,25 Hình 11 Kết đo lực chồn với phôi ban đầu H/D:0,6 S/D:0,3 Hình 14 Kết đo lực chồn với thơng số phôi H/D:0,8 S/D:0,3 Khoa học & Công nghệ - Số 23/Tháng - 2019 Journal of Science and Technology 49 ISSN 2354-0575 Hình 15 Kết đo lực chồn với thông số phôi H/D: 0,8 S/D:0,35 Hệ thống đo cho kết thể từ Hình đến Hình 15 Kết đo thể biểu đồ quan hệ lực chồn thời gian Các biểu đồ cho thấy kết thực nghiệm hoàn toàn phù hợp với lý thuyết Chày ép thực hành trình xuống tiếp xúc với phôi để thực trình biến dạng, lực chồn biến thiên từ giá trị (chày bắt đầu tiếp xúc với phơi) tới giá trị cực đại cuối hành trình (phôi đạt mức độ biến dạng cần thiết) Kết thúc hành trình dập chày ép lên đầu trượt lực giảm dần giá trị Từ đồ thị ta có bảng đối sánh lực chồn thực nghiệm tính tốn (theo cơng thức 1.1) trình bày Bảng Bảng Đối sánh kết đo lực nhiệt độ 1150 oC Kết đối sánh cho thấy hệ thống đo hoạt động ổn định có kết phù hợp với tính toán Kết luận Nghiên cứu phát triển thành công hệ thống đo lực chồn máy dập trục khuỷu Một cảm biến đo lực phát triển dựa nguyên lý áp trở, thiết bị gia công tín hiệu hiển thị số CDV700A phần mềm DasyLap sử dụng để xử lý tín hiệu hiển thị kết Các thí nghiệm với kích thước phôi khác thực máy dập trục khuỷu FPC 160 Kết đo cho thấy giá trị lực đo gần với giá trị tính tốn Tất trường hợp cho sai số 5% Hệ thống đo phát triển phù hợp với ngun cơng chồn máy dập trục khuỷu Nó áp dụng với nguyên công khác dập khối như: dập khn kín, ép chảy Kết đo từ hệ thống sở để thực toán quy hoạch thực nghiệm nhằm tối ưu lực với kích thước phơi khác Đồng thời cơng cụ để kiểm nghiệm kết mơ số q trình chồn từ phơi ống Tài liệu tham khảo [1] Nguyễn Mậu Đằng, Phạm Văn Nghệ, Nguyễn Trung Kiên, Đinh Văn Phong, Trần Đức Cứu, Công 50 Khoa học & Công nghệ - Số 23/Tháng - 2019 Journal of Science and Technology ISSN 2354-0575 nghệ tạo hình khối, NXB Bách khoa Hà Nội, 2008 [2] Nguyễn Minh Vũ, Nguyễn Tất Tiến, Nguyễn Đắc Trung, Lý thuyết dập tạo hình, NXB Bách khoa Hà Nội, 2009 [3] Lê Trung Kiên, Xác định lực công biến dạng trình dập vuốt phương pháp đo giải phóng lượng bánh, Luận văn thạc sĩ, Đại học Bách khoa Hà Nội, 2005 [4] William M Murray, The Bonded Electrical Resistance Strain Gage, NY Oxford University Press, 1992 [5] Rattan, Strength of materials, Mcraw-Hill, 2008 [6] Ernest O Doebelin, Measurement Systems Application and Design, McGraw-Hill, 2004 STUDY TO BUILD MEASURING SYSTEM OF FORCE ON THE CRANK PRESS MACHINE FOR UPSETTING PROCESS Abstract: Upsetting force is a very important factor It determines quality, efficiency and avoids defects when stamping tubes In this study, the design of measuring system of upsetting tube force on the crank stamping machine was investigated A principle of force sensor was placed in the mold system on the crank stamping machine The principle of force sensor was based on piezo electricity, the deformation stamp was applied as a sensitive element for the sensor The sensor has performed the function in receiving and transforming information about the variation of the force on the input into the voltage variation on the output This output signal has been sent to the signal processing center and displays the measurement results These results were used to compare and evaluate the results of the numerical simulation process Also, the results of measurement of upsetting force with different cases were given and compared with the results of theoretical calculations Keywords: Bulk foming, force sensor, crank press machine, based on the piezoresistive, upsetting force Khoa học & Công nghệ - Số 23/Tháng - 2019 Journal of Science and Technology 51 ... khác thực máy dập trục khuỷu FPC 160 Kết đo cho thấy giá trị lực đo gần với giá trị tính tốn Tất trường hợp cho sai số 5% Hệ thống đo phát triển phù hợp với nguyên công chồn máy dập trục khuỷu Nó... Cấu trúc hệ thống đo Hệ thống đo gồm thành phần: cảm biến, khuôn, thiết bị gia cơng tín hiệu hiển thị kết trình bày Hình Hệ thống đo xây dựng lắp đặt máy dập trục khuỷu FCP 160 gồm hệ thống khuôn,... định có kết phù hợp với tính tốn Kết luận Nghiên cứu phát triển thành công hệ thống đo lực chồn máy dập trục khuỷu Một cảm biến đo lực phát triển dựa nguyên lý áp trở, thiết bị gia cơng tín hiệu